Les systèmes planétaires mettent des millions d'années à se former, ce qui présente tout un défi pour les astronomes. Comment identifiez-vous à quelle étape ils se trouvent, ou les catégoriser ? La meilleure approche consiste à examiner de nombreux exemples et à continuer d'ajouter aux données dont nous disposons – et le prochain télescope spatial James Webb de la NASA sera en mesure de fournir un inventaire infrarouge. Les chercheurs utilisant Webb observeront 17 systèmes planétaires en formation active. Ces systèmes particuliers ont été précédemment étudiés par l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), le plus grand radiotélescope du monde, pour le projet de sous-structures de disque à haute résolution angulaire (DSHARP).

Webb mesurera des spectres pouvant révéler des molécules dans les régions internes de ces disques protoplanétaires, complétant les détails fournis par ALMA sur les régions externes des disques. Ces régions intérieures sont là où rocheuses, Des planètes semblables à la Terre peuvent commencer à se former, c'est l'une des raisons pour lesquelles nous voulons en savoir plus sur les molécules qui y existent.

Une équipe de recherche dirigée par Colette Salyk du Vassar College à Poughkeepsie, New York, et Klaus Pontoppidan du Space Telescope Science Institute à Baltimore, Maryland, chercher les détails trouvés dans la lumière infrarouge. "Une fois que vous passez à la lumière infrarouge, spécifiquement à la gamme Webb en lumière infrarouge moyen, nous serons sensibles aux molécules les plus abondantes qui portent des éléments communs, " a expliqué Pontoppidan.

Les chercheurs pourront évaluer les quantités d'eau, monoxyde de carbone, gaz carbonique, méthane, et de l'ammoniac, parmi de nombreuses autres molécules, dans chaque disque. De manière critique, ils sauront compter les molécules qui contiennent des éléments essentiels à la vie telle que nous la connaissons, y compris l'oxygène, carbone, et l'azote. Comment? Avec la spectroscopie :Webb captera toute la lumière émise au centre de chaque disque protoplanétaire sous forme de spectre, qui produit un motif détaillé de couleurs basé sur les longueurs d'onde de la lumière émise. Puisque chaque molécule imprime un motif unique sur le spectre, les chercheurs peuvent identifier les molécules présentes et dresser des inventaires du contenu de chaque disque protoplanétaire. La force de ces motifs contient également des informations sur la température et la quantité de chaque molécule.

"Les données de Webb nous aideront également à identifier où se trouvent les molécules dans le système global, " dit Salyk. " S'ils sont chauds, cela implique qu'ils sont plus proches de l'étoile. S'ils sont plus frais, ils peuvent être plus éloignés. » Ces informations spatiales aideront à éclairer les modèles que les scientifiques construisent alors qu'ils continuent d'examiner les données de ce programme.

Savoir ce qu'il y a dans les régions internes des disques présente également d'autres avantages. A de l'eau, par exemple, arrivé dans cette région, où les planètes habitables peuvent se former ? "L'une des choses qui est vraiment incroyable à propos des planètes—changez juste un petit peu la chimie et vous pouvez obtenir ces mondes radicalement différents, " continua Salyk. " C'est pourquoi nous nous intéressons à la chimie. Nous essayons de comprendre comment les matériaux initialement trouvés dans un système peuvent se transformer en différents types de planètes. »

Si cela semble être une entreprise importante, ne vous inquiétez pas, ce sera un effort communautaire. Il s'agit d'un programme de trésorerie Webb, ce qui signifie que les données sont publiées dès qu'elles sont transmises à tous les astronomes, permettant à chacun d'extraire immédiatement les données, commencer à évaluer ce qu'il y a dans chaque disque, et partager leurs découvertes.

« Les données infrarouges de Webb seront étudiées de manière intensive, ", a ajouté le co-investigateur Ke Zhang de l'Université du Wisconsin à Madison. "Nous voulons que l'ensemble de la communauté des chercheurs puisse aborder les données sous différents angles."

Pourquoi l'examen de près ?

Prenons du recul, voir la forêt pour les arbres. Imaginez que vous êtes sur un bateau de recherche au large des côtes d'un terrain lointain. C'est la vision la plus large. Si vous deviez atterrir et débarquer, vous pouvez commencer à compter le nombre d'arbres et le nombre d'espèces d'arbres. Vous pouvez commencer à identifier des insectes et des oiseaux spécifiques et faire correspondre les sons que vous avez entendus au large aux appels que vous entendez sous la cime des arbres. Ce catalogage détaillé est très similaire à ce que Webb permettra aux chercheurs de faire, mais échanger des arbres et des animaux contre des éléments chimiques.

Les disques protoplanétaires de ce programme sont très brillants et relativement proches de la Terre, ce qui en fait d'excellentes cibles à étudier. C'est pourquoi ils ont été interrogés par ALMA. C'est aussi pourquoi les chercheurs les ont étudiés avec le télescope spatial Spitzer de la NASA. Ces objets n'ont été étudiés en profondeur que depuis 2003, ce qui en fait un domaine de recherche relativement récent. Il y a beaucoup de choses que Webb peut ajouter à ce que nous savons.

L'instrument à infrarouge moyen (MIRI) du télescope offre de nombreux avantages. L'emplacement de Webb dans l'espace signifie qu'il peut capturer toute la gamme de la lumière infrarouge moyenne (l'atmosphère terrestre la filtre). Plus, ses données auront une haute résolution, ce qui révélera beaucoup plus de lignes et de mouvements dans les spectres que les chercheurs pourront utiliser pour identifier des molécules spécifiques.

Les chercheurs ont également été sélectifs sur les types d'étoiles choisis pour ces observations. Cet échantillon comprend des étoiles qui sont environ la moitié de la masse du Soleil à environ deux fois la masse du Soleil. Pourquoi? L'objectif est d'aider les chercheurs à en apprendre davantage sur les systèmes qui pourraient ressembler au nôtre au fur et à mesure de leur formation. "Avec cet échantillon, nous pouvons commencer à déterminer s'il existe des caractéristiques communes entre les propriétés des disques et leur chimie interne, " continua Zhang. " Finalement, nous voulons être en mesure de prédire quels types de systèmes sont les plus susceptibles de générer des planètes habitables."

Commencer à répondre aux grandes questions

Ce programme peut également aider les chercheurs à commencer à répondre à certaines questions classiques :les formes sont-elles prises par certains des éléments les plus abondants trouvés dans les disques protoplanétaires, comme le carbone, azote, et de l'oxygène, « hérité » des nuages ​​interstellaires qui les ont formés ? Ou le mélange précis de produits chimiques change-t-il avec le temps ? "Nous pensons que nous pouvons obtenir certaines de ces réponses en faisant des inventaires avec Webb, " a expliqué Pontoppidan. " C'est évidemment une énorme quantité de travail à faire - et ne peut pas être fait uniquement avec ces données - mais je pense que nous allons faire des progrès majeurs. "

En pensant encore plus largement aux spectres incroyablement riches que Webb fournira, Salyk a ajouté, "J'espère que nous verrons des choses qui nous surprendront et que nous commencerons ensuite à étudier ces découvertes fortuites."

Cette recherche sera menée dans le cadre des programmes Webb General Observer (GO), qui sont sélectionnés de manière concurrentielle à l'aide d'un système d'examen à double anonymat, le même système qui est utilisé pour allouer le temps sur le télescope spatial Hubble.